IC 101: 집적 회로 설계 프로세스

작가 셰인 그린 | 2023년 4월 5일 | 모두, 낸드 플래시 101, 기술

이 기사는 Phison의 가장 중요한 제품 중 하나인 집적 회로(IC)를 심층적으로 살펴보는 시리즈의 두 번째 기사입니다. 우리의 첫 번째 할부 IC가 무엇이며 어떻게 분류되는지 살펴보았습니다. 이제 IC가 어떻게 설계되었는지 살펴보겠습니다.

집적 회로는 1960년에 처음 개발되었으며 단지 5개의 저항과 4개의 트랜지스터(전압 또는 전류에 연결될 때 전도성이 되는 미니 스위치 또는 밸브)를 포함했습니다. 간단해 보이죠?

그러나 IC의 트랜지스터 및 기타 구성 요소의 수가 빠르게 증가하면서 상황이 빠르게 바뀌었습니다. 사실 1965년에 Gordon Moore라는 현명한 사람이 지금은 유명한 관찰을 했습니다. 그는 평균 IC의 트랜지스터 수가 2년마다 두 배가 될 것이라고 예측했습니다. 그는 불과 몇 년 만에 반도체 산업이 어떻게 급증했는지, 그리고 제조 공정과 기술 지식이 발전함에 따라 트랜지스터의 크기가 어떻게 계속 축소되고 있는지를 보았습니다.

"무어의 법칙"은 40년 이상 동안 꽤 정확했습니다. 2000년대 초 실리콘 트랜지스터의 기술이 물리적 한계를 뛰어 넘었기 때문에 추정치가 느려지기 시작했습니다. 트랜지스터는 오늘날의 물리적 크기만큼 작으며 3D 아키텍처 및 기타 기술로 더욱 복잡해졌습니다.

그렇다고 해서 컴퓨터 칩이 진화를 멈춘 것은 아닙니다. 반도체 및 IC 부품을 가능하게 하는 기술은 여전히 기하급수적으로 발전하고 있습니다. 오늘날 디지털 IC는 칩당 1000억 개 이상의 트랜지스터를 쉽게 포함할 수 있습니다. 이렇게 많은 트랜지스터로 구축된 IC는 믿을 수 없을 정도로 복잡합니다. 이전 기사에서 했던 것처럼 1000억 개는 고사하고 겨우 10억 개의 밸브가 있는 파이프 시스템을 상상하기조차 어렵습니다.

최신 IC의 엄청난 복잡성을 시각화하는 대신 이러한 칩이 어떻게 설계되었는지 단계별로 살펴보겠습니다. IC 설계에는 5가지 주요 단계가 있습니다.

- - IC 사양 및 기능 설계
  - RTL 코딩
  - 게이트 레벨 넷리스팅
  - 레이아웃 제작
  - 테이핑 아웃

처음에는 용어가 어려워 보일 수 있지만 모두 집 설계라는 간단한 비유로 설명할 수 있습니다(그림 1).

그림 1. IC 설계 단계는 집을 짓는 단계에 비유할 수 있습니다.

1단계: IC 사양 및 기능 설계

집을 설계할 때 집주인과 건축가가 집주인이 원하는 모든 기능과 기능에 대해 미리 소통하는 것이 중요합니다. 모든 것은 프로젝트 계획에 관한 것이며 IC 설계에서도 동일한 방식으로 작동합니다. IC 설계자와 이해 관계자는 대상 응용 프로그램에 필요한 기능을 활성화하는 원하는 사양을 논의해야 합니다. 예를 들어 일반적인 NAND 플래시 컨트롤러 IC에서 주요 기능 블록에는 프런트 엔드 상호 연결, 중앙 엔진, 버퍼 및 스토리지 미디어 관리, 주변 장치 상호 연결 및 보안 기능이 포함됩니다(그림 2).

그림 2에 표시된 기능 블록 다이어그램은 간단해 보일 수 있지만 사실 하드웨어 설계자가 다음 단계를 진행하기 전에 미리 설정하고 신중하게 검토해야 하는 세부 조건과 매개변수가 많이 있습니다.

그림 2. 일반적인 NAND 플래시 컨트롤러 IC의 기능 블록 다이어그램.

2단계: RTL 코딩

첫 번째 단계는 계획에 관한 것이었지만 이 단계와 다음 단계는 IC 설계 프로세스의 실행 부분으로 간주됩니다. 기능 블록 다이어그램을 사용하여 설계자는 팀이 1단계에서 합의한 사양을 이론적으로 수행할 수 있는 RTL(레지스터 전송 수준) 코드의 초안을 만듭니다. RTL 코드는 IC의 상위 수준 표현이며 이러한 초기 단계에서 가장 단순한 형태로 전체 시스템을 "설명"하는 데 사용됩니다.

RTL 코드는 설계자가 본질적으로 IC "퍼즐"을 구성하는 다양한 방법을 제시할 수 있게 해주는 저수준 코딩 언어입니다. 주택 건축 비유를 계속하기 위해 RTL 코딩 초안은 기본적으로 주택 계획이 바닥 및 캐비닛 스타일과 재료, 천장 또는 벽 트림 및 배관 설비를 지정하는 것과 마찬가지로 설계 구성 요소의 조합 목록입니다. RTL 코드 초안을 평가함으로써 설계 팀은 시스템의 각 블록에 대한 이론적으로 최적의 구성을 추론할 수 있어야 합니다.

3단계: 게이트 레벨 넷리스팅

RTL 코드 초안을 작성하면 설계 팀은 이제 RTL 코드 결과의 게이트 레벨 넷리스트를 수행할 준비가 된 것입니다. 이는 설계자가 RTL 코드 결과를 논리 게이트로 매핑한다는 것을 의미합니다. 이 맵에는 최종 시스템에 있을 모든 지연과 논리가 포함되어 있습니다. 이것은 모든 디자인 요소와 설비가 설치된 집의 3D 시뮬레이션과 유사하므로 팀이 모든 것이 어떻게 함께 작동하는지 확인할 수 있습니다.

3D 그래픽 시뮬레이션을 통해 주택 설계자와 이해 관계자는 설계를 시각화할 수 있지만 게이트 레벨 넷리스팅은 RTL 코드 계획에 따라 모든 논리적 구성을 명확히 하는 데 도움이 됩니다. 넷리스트의 최종 버전이 준비되면 디자이너는 이제 전반적인 디자인 가능성에 대해 높은 신뢰 수준을 갖게 됩니다. 대부분의 까다로운 디자인 결정이 이 단계에서 논의되고 해결되었기 때문입니다. 게이트 레벨 넷리스트를 사용하면 시뮬레이션을 통해 최종 설계를 테스트할 수 있습니다.

4단계: 레이아웃 제작

게이트 레벨 넷리스트가 완성되면 하드웨어 엔지니어는 이제 회로, 트랜지스터 및 기타 구성 요소의 배치를 시뮬레이션하여 IC의 상세한 레이아웃을 생성할 수 있습니다. 필요한 모든 기능 블록과 해당 구성 요소를 연결하는 이 작업은 가정의 배관 및 조명 시스템을 연결하고 라우팅하는 것과 유사합니다. 이 단계가 끝날 무렵 IC 설계 팀은 자세한 "마스터 청사진"을 갖게 되며 실제 구성은 거의 진행됩니다.

5단계: 테이프 아웃

테이프 아웃은 IC 설계 프로세스의 마지막 단계로, IC가 제조를 위해 발송되기 전 마지막 단계입니다. 이 단계에는 회로의 포토마스크 생성이 포함됩니다. 포토마스크는 일반적으로 석영 또는 유리로 만들어진 단단한 판으로 시작합니다. 테이핑 아웃은 빛이 투과할 수 있는 컷아웃 공간이나 구멍이 있는 불투명 필름으로 해당 플레이트를 코팅하는 과정입니다(그림 3). IC 제작자는 포토마스크를 사용하여 실리콘 칩에 패턴을 생성합니다. IC 설계의 "마스터 템플릿"이라고 생각할 수 있습니다.

그림 3. 준비된 IC 포토마스크.

이 시점에서 주택 건설 비유가 약간 무너지기 시작합니다. 상세한 청사진에 따라 주택을 건설하는 것은 여전히 많은 도전과 예상치 못한 문제에 직면할 수 있습니다. IC 설계에서는 전자 설계 자동화(EDA) 소프트웨어로 만든 시뮬레이션이 시스템 설계의 실제 작동 및 기능을 모방할 수 있기 때문에 불확실성이 적습니다. 이상 현상이 여전히 발생할 수 있지만 실제 생산 전에 대부분의 잠재적인 문제를 예상하고 해결할 수 있으므로 많은 시간, 노력 및 비용을 절약할 수 있습니다.